DGUV Information 209-016 - Schadstoffe beim Schweißen und bei verwandten Verfahr...

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Abschnitt 3.1, 3.1 Schweißen
Abschnitt 3.1
Schadstoffe beim Schweißen und bei verwandten Verfahren (bisher: BGI 593)
Titel: Schadstoffe beim Schweißen und bei verwandten Verfahren (bisher: BGI 593)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: DGUV Information 209-016
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Satzung

Abschnitt 3.1 – 3.1 Schweißen

Beim Schweißen bilden sich immer gas- und partikelförmige Schadstoffe. Die partikelförmigen Stoffe haben hier eine Partikelgröße (aerodynamischer Durchmesser) kleiner als 1 µm, sind alveolengängig und werden in der Praxis als "Schweißrauche" bezeichnet. Aus arbeitsmedizinischer Sicht ist die alveolengängige Fraktion (A-Fraktion) von besonderer Bedeutung. Diese Fraktion, die in der Vergangenheit als Feinstaub bezeichnet wurde, wurde bei den personenbezogenen Messungen beim Schweißen vorwiegend mit dem Probenahmekopf für die einatembare Fraktion (früher Gesamtstaub) gemessen. Dies lag in der Schwierigkeit, den Probenahmekopf für die A-Fraktion hinter dem Schweißerschutzschirm zu positionieren (Platzmangel).

Da beim Schweißen ohnehin nur sehr feine Partikel entstehen, die alle zur "alveolengängigen Fraktion" gehören, liegen die Messergebnisse von "E-Staub" anstelle von "A-Staub" immer auf der sicheren Seite. Die Menge der entstehenden Schadstoffe bei den verschiedenen Schweißverfahren ist unterschiedlich. Heute wird häufig mit PGP-EA gemessen. (A- und E-Fraktion werden gleichzeitig erfasst (siehe Abschnitt 6.2).

Die Rauchemission (mg/s) beim Schweißen ist meist kleiner als die Rauch- und Staubemission beim Schneiden oder Spritzen.

Untersuchungen zur Schadstoffemission beim Schweißen haben gezeigt, dass etwa 95 % des Schweißrauches aus den Schweißzusätzen stammen und nur weniger als 5 % aus dem Grundwerkstoff.

3.1.1 Gasschweißen

Beim Gasschweißen von un- und niedriglegiertem Stahl entstehen vor allem nitrose Gase (Stickstoffoxide). Stickstoffdioxid ist hier ebenso die Leitkomponente wie bei anderen Autogenverfahren, z. B. Flammwärmen und Flammrichten, wo eine noch stärkere Bildung von Stickstoffoxiden nachgewiesen ist.

Die Stickstoffdioxid-Konzentration in der Luft am Arbeitsplatz steigt mit der Flammenlänge und daher mit der Brennergröße und mit dem Abstand Düse - Blech.

Kritisch wird die Stickstoffdioxid-Konzentration beim Arbeiten in engen Räumen ohne entsprechende lüftungstechnische Maßnahmen. Sie kann bei frei brennender Flamme im Vergleich zu einer Flamme von 15 mm Länge den 10-fachen Wert erreichen.

Ergebnisse von Emissionsmessungen beim Gasschweißen und Wärmen ergaben für nitrose Gase in etwa folgende Werte:

VerfahrenNOx
Emissionsraten (mg/s)
Gasschweißen0,8 - 40
Wärmenbis 75

Probleme hinsichtlich der entstehenden partikelförmigen Stoffe können nur bei der Bearbeitung von Nichteisenmetallen (z. B. Blei, Kupfer) oder von daraus bestehenden Überzügen auftreten.

3.1.2 Lichbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden

Unlegierter, niedriglegierter Stahl

(Legierungsbestandteile < 5 %)

Bei diesen Verfahren treten im Vergleich zum Gasschweißen hohe Mengen an partikelförmigen Stoffen auf. Eine Gefährdung durch nitrose Gase ist hier nicht zu erwarten.

Beim Lichtbogenhandschweißen mit unlegierten oder niedriglegierten Stabelektroden ist der Schweißrauch (insgesamt) zu berücksichtigen.

Die chemische Zusammensetzung des Schweißrauches spiegelt die chemische Zusammensetzung des Kerndrahtes und der Umhüllung wider. Die Hauptbestandteile der Schweißrauche sind in diesem Fall: Eisenoxid (Fe2O3), Siliciumdioxid (SiO2), Kaliumoxid (K2O), Manganoxid (MnO), Natriumoxid (Na2O), Titandioxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3).

SchadstoffeUmhüllungstyp
sauer %rutil %basisch %zellulose %
Na2O2-42-42-42-4
Al2O31-21-21-21-2
SiO230-4030-40≈ 10≈ 10
K2O10-2010-2020-30-
CaO1-21-215-20-
TiO2< 1≈ 5≈ 1≈ 1,5
MnO≈ 10≈ 7≈ 6≈ 5
Fe2O3≈ 4020-3020-3070-80
F--12-16-

Bild 3-1: Analyse der beim Lichtbogenhandschweißen mit unlegierten/niedriglegierten Stabelektroden (nach DIN 1913) entstehenden Schweißrauche [1]

 

Diese Komponenten treten in unterschiedlichen Anteilen auf, abhängig von der Umhüllungsart (sauer-, rutil-, basisch-, zelluloseumhüllt). Die Rauche der basischumhüllten Stabelektroden beinhalten zusätzlich Calciumoxid (CaO) und Fluoride (F-). Hier sind Fluoride als weitere Hauptkomponente zu berücksichtigen (Bild 3-1).

Rauche sauerumhüllter Stabelektroden enthalten bis zu 10 % Manganoxid. Somit kann hier Manganoxid eine zusätzliche Hauptkomponente im Schweißrauch werden.

Aus zahlreichen Messungen ergaben sich beim Lichtbogenhandschweißen mit unlegierten/niedriglegierten Elektroden in etwa folgende Emissionswerte für Schweißrauch:

VerfahrenSchweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Lichtbogenhandschweißen4-18

Bei Sonderelektroden mit Kupferbestandteilen kann das Kupferoxid (CuO) eine zusätzliche Hauptkomponente sein.

Chrom-Nickel-Stahl (≤ 20 % Cr und ≤ 30 % Ni)

Die hochlegierten umhüllten Stabelektroden enthalten neben Eisen und Umhüllungsstoffen (wie oben) Chrom bis zu 20 % und Nickel bis zu 30 % im Kerndraht.

Beim Lichtbogenhandschweißen mit hochlegierten Stabelektroden entsteht Schweißrauch, dessen chemische Zusammensetzung bis zu 16 % Chromverbindungen enthalten kann. Diese Chromverbindungen liegen bis zu 90 % als Chrom(VI)-Verbindungen (hier Chromate) vor, die größtenteils als krebserzeugend eingestuft sind. Das Nickeloxid ist hier mit 1 % bis selten 3 % deutlich unterrepräsentiert.

Bei diesem Verfahren mit den vorgenannten Werkstoffen ist die Leitkomponente im Schweißrauch "Chromate". Rauche basischumhüllter Stabelektroden enthalten deutlich höhere Chrom(VI)- Anteile als die rutilumhüllten.

Untersuchungen im biologischen Material und epidemiologische Studien deuten darauf hin, dass die stärkste Gesundheitsgefährdung für den Schweißer beim Lichtbogenhandschweißen mit hochlegierten Stabelektroden liegt. Hier müssen am Arbeitsplatz gezielte Schutzmaßnahmen, z. B. durch Absaugung der Schweißrauche an der Entstehungsstelle, vorgesehen werden. Darüber hinaus sind arbeitsmedizinische Vorsorgeuntersuchungen durchzuführen.

Emissionsmessungen ergaben beim Lichtbogenhandschweißen mit hochlegierten Stabelektroden etwa folgende Emissionswerte für Schweißrauch:

VerfahrenSchweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Verbindungsschweißen2-16
Auftragschweißen3-22

Nickel, Nickellegierungen (> 30 % Ni)

Beim Lichtbogenhandschweißen mit Reinnickel oder Nickelbasiswerkstoffen ist Nickeloxid die Leitkomponente, obwohl im Schweißrauch maximal 5 % Nickeloxid vorhanden ist. Nickeloxide sind als krebserzeugende Stoffe Kategorie 1 eingestuft. Deshalb müssen am Arbeitsplatz gezielte Schutzmaßnahmen vorgesehen werden.

Neben Nickeloxid im Schweißrauch entsteht - abhängig von der Legierungsart (mit Kupferanteilen) - evtl. Kupferoxid als weitere Hauptkomponente. Bei Elektroden zum Auftragschweißen, deren chemische Zusammensetzung Cobalt beinhaltet, muss das Cobaltoxid (CoO) beachtet werden.

Emissionsmessungen ergaben beim Lichtbogenhandschweißen mit Reinnickel oder Nickelbasiswerkstoffen etwa folgende Schweißrauchemissionen:

VerfahrenSchweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Lichtbogenhandschweißenetwa 7

3.1.3 Schutzgasschweißen

Bei den Verfahren mit Aktivgas (MAGC, MAGM) ist in erster Linie mit einer starken Entwicklungvon partikelförmigen Schadstoffen (Schweißrauchen) zu rechnen. Die Menge dieser Schadstoffe hat dieselbe Größenordnung wie beim Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden.

Im Gegensatz dazu ist bei den Verfahren mit Inertgas (MIG, WIG) eine zum Teil deutlich niedrigere Rauchentwicklung festzustellen.

Abhängig von den eingesetzten Schweißzusatzwerkstoffen und Schutzgasen entstehen Gase und Schweißrauche, aus denen die Leitkomponenten ausgewählt werden. Bild 3-2a auf Seite 40 gibt einige Beispiele.

3.1.3.1 Metall-Schutzgasschweißen (MAG/MIG)

  • Einfluss des verwendeten Schutzgases auf die Rauchentwicklung

Metall-Aktivgasschweißen mit Kohlendioxid (MAGC)

Beim Metall-Aktivgasschweißen mit Kohlendioxid (MAGC) von un- und niedriglegiertem Stahl ist neben Schweißrauch Kohlenmonoxid eine Leitkomponente. Durch die thermische Zersetzung des Kohlendioxides, das als Schutzgas verwendet wird, entsteht Kohlenmonoxid.

Der Schweißrauch besteht hier vorwiegend aus Eisenoxiden.

Emissionsmessungen ergaben beim MAGC-Schweißen von unlegiertem/niedriglegiertem Stahl in etwa folgende Emissionswerte für Schweißrauch und Kohlenmonoxid:

SchadstoffEmissionsraten (mg/s)
Schweißrauch2-12
Kohlenmonoxid (CO)2-12,5

Metall-Aktivgasschweißen mit Mischgas (MAGM)

Beim Metall-Aktivgasschweißen mit Mischgas (MAGM) von un- und niedriglegiertem Stahl wird als Schutzgas ein Mischgas verwendet. Wenn das Mischgas Kohlendioxid enthält, ist eine gewisse CO-Bildung zu erwarten. Der Schweißrauch besteht hier aus Eisenoxiden.

Beim MAGM-Schweißen von Chrom-Nickel-Stahl ist das Nickeloxid als mögliche Leitkomponente zu berücksichtigen. Der Schweißrauch enthält zwar bis zu 17 % Chrom-Verbindungen und bis zu 5 % Nickeloxid, aber die Chrom-Verbindungen bestehen hier fast ausschließlich aus der dreiwertigen Form, die als nicht krebserzeugend gilt.

Metall-Inertgasschweißen (MIG)

Beim Metall-Inertgasschweißen (MIG) von Aluminium-Werkstoffen muss zusätzlich zum Schweißrauch (in der Form von Aluminiumoxid) die Ozon-Bildung (durch die UV-Strahlung und die stark reflektierenden Werkstoffe) berücksichtigt werden. Die Rauchentwicklung ist dagegen in den meisten Fällen kleiner als beim MAG-Schweißen.

Bei Aluminium-Silicium-Legierungen sind die Ozon-Konzentrationen höher als bei Reinaluminium und wesentlich höher als bei Aluminium-Magnesium-Werkstoffen.

Beim MIG-Schweißen von Nickel und Nickelbasislegierungen ist das Nickeloxid die entscheidende Leitkomponente im Schweißrauch.

Aufgrund der hohen Nickel-Anteile in den Schweißzusätzen kann der Nickeloxidgehalt im Schweißrauch Werte zwischen 30 bis 87 % annehmen.

Emissionsmessungen beim MIG-Schweißen von Nickel und Nickelbasislegierungen ergaben in etwa folgende Emissionswerte für Schweißrauch und Nickeloxid:

SchadstoffEmissionsraten (mg/s)
Schweißrauch2-6
Nickeloxidbis 5

Generell sind bei Nickelbasislegierungen, die auch Kupfer enthalten (z. B. Nicorros), höhere Schweißrauch-Emissionsraten zu erwarten als bei Nickelbasislegierungen mit anderen Legierungselementen, z. B. Cr, Co, Mo. Hier ist Kupferoxid anstelle von Nickeloxid die Leitkomponente.

Es sind Schutzmaßnahmen wie bei allen anderen krebserzeugenden Stoffen vorzusehen. Kontrollen der Ozonkonzentration können hier ebenfalls erforderlich sein.

  • Einfluss der Elektrodenart auf die Rauchentwicklung

Beim MAG/MIG-Schweißen mit Fülldrahtelektroden entwickeln sich größere Schweißrauchmengen als mit Massivdrahtelektroden.

Die Verwendung von selbstschützenden Fülldrahtelektroden führt zu erheblich höheren Schweißrauchemissionen als die von Fülldrahtelektroden unter Schutzgas.

Beispielsweise ergaben sich für das Metall-Aktivgasschweißen von un-und niedriglegiertem Stahl folgende Emissionswerte:

SchweißzusatzSchweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Massivdraht2 - 12
Fülldraht unter Schutzgas6 - 54
sebstschützender FülldrahtBis zu 97

Prinzipiell enthält die Pulverfüllung der Fülldrähte ähnliche Komponenten wie die Umhüllung entsprechender Stabelektroden.

Abhängig von der Art des Schweißzusatzes können folgende Leitkomponenten im Schweißrauch auftreten:

SchweißzusatzLeitkomponente
a)un-/niedriglegierter basischer Fülldraht (unter Schutzgas)Manganoxid
b)hochlegierter FülldrahtChrom(VI)-Verbindungen oder
Manganoxid1)
c)un-/niedriglegierter selbstschützender FülldrahtManganoxid oder Barium-
Verbindungen (je nach Fülldraht)
1) siehe auch Bild 3-2a

 

3.1.3.2 MAG-Hochleistungsschweißen (MAG-HL)

Bei diesem Verfahren liegt die Drahtvorschubgeschwindigkeit über 15 m/min. Gleichzeitig liegt die Abschmelzleistung über 8 kg/h.

Je höher die Abschmelzleistung oder die Drahtvorschubgeschwindigkeit ist, desto höhere Schadstoffemissionen entstehen.

Je höher die eingebrachte Wärme (Energie) im Prozess ist, desto höher sind die Schadstoffemissionen. Da beim MAG-HL-Schweißen mit Massivdraht niedrigere Energien als beim MAG-HL-Schweißen mit Band eingebracht werden, liegen auch hier die Schadstoffemissionsraten bei den letztgenannten Verfahren höher (siehe unten stehende Grafik).

Mit steigender Spannung sowie mit steigender Drahtvorschubgeschwindigkeit steigen die Schadstoffemissionsraten.

Somit sind die höchsten Emissionsraten bei den rotierenden Lichtbögen zu erwarten, die kleinsten dagegen beim Kurzlichtbogen.

Die Leitkomponenten sind auch hier - von den eingesetzten Werkstoffen abhängig - die gleichen wie beim MAG-Schweißen.

3.1.3.3 Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)

Beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen) wird durch die niedrigere Rauchentwicklung die Ozon-Bildung unterstützt. Besonders hoch (trotzdem niedriger als beim MIG) sind die Ozonwerte bei Reinaluminium- und - mehr noch - bei Aluminium-Silicium-Legierungen. Nickeloxid kann die Leitkomponente bei der Verwendung von Reinnickel und Nickellegierungen darstellen.

Bei Anwendung thoriumoxidhaltiger Wolframelektroden beim WIG-Schweißen, insbesondere bei Aluminiumwerkstoffen, ist mit einer Strahlenbelastung durch die Inhalation von Rauchen, die Thoriumdioxid beinhalten, zu rechnen. Hier sind die Grenzwerte für nicht beruflich strahlenexponierte Personen bei "Arbeiten" in der Regel überschritten. Deshalb müssen am Arbeitsplatz gezielte Schutzmaßnahmen vorgesehen werden (z. B. Verwendung thoriumoxidfreier Wolframelektroden).

VerfahrenSchweißzusatzwerkstoffSchweißrauch/Leitkomponente(n)
Gasschweißenunlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Stickstoffdioxid
Lichtbogenhandschweißenunlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch1)
Manganoxid4)
Chrom-Nickel-Stahl
(≤ 20 % Cr und ≤ 30 % Ni)
Chrom(VI)-Verbindungen oder
Manganoxid4)
Nickel, Nickellegierungen
(> 30 % Ni)
Nickeloxid oder
Kupferoxid2)
Metall-Aktivgasschweißen mit
Kohlendioxid (MAGC)
unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch1)
Kohlenmonoxid
Metall-Aktivgasschweißen mit
Mischgas (MAGM)
unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch1)
Chrom-Nickel-Stahl Massivdraht
(≤ 20 % Cr und ≤ 30 % Ni)
Nickeloxid oder
Manganoxid4)
Chrom-Nickel-Stahl Fülldraht
(≤ 20 % Cr und ≤ 30 % Ni)
Chrom(VI)-Verbindungen oder
Manganoxid4)
Metall-Inertgasschweißen
(MIG)
Nickel, Nickellegierungen
(> 30 % Ni)
Nickeloxid oder Kupferoxid2)
Ozon
Rein-Aluminium,
Aluminium-Silicium-Legierungen
Ozon
Schweißrauch1)
andere Aluminium-Legierungen3)Schweißrauch
Ozon
Wolfram-Inertgasschweißen
(WIG)
unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch1)
Ozon
 Chrom-Nickel-Stahl
(≤ 20 % Cr und ≤ 30 % Ni)
Schweißrauch1)
Ozon
 Nickel, Nickellegierungen
(> 30 % Ni)
Ozon
Schweißrauch1)
 Rein-Aluminium,
Aluminium-Silicium-Legierungen
Ozon
Schweißrauch1)
 andere Aluminium-Legierungen3)Schweißrauch1)
Ozon
1) Grenzwert für die A-Fraktion des Staubes.
2) Je nach Legierungsart, mit/ohne Kupfer, Grenzwert für Kupfer-Rauch.
3) Aluminium-Werkstoffe (Rein-Aluminium, Aluminium-Legierungen) Grenzwert für Aluminiumoxidrauch.
4) Wenn der Anteil von Mangan in der Legierung oder in der Summe der Anteile (Legierung und Umhüllung/Füllung) ≥ 5 % ist.

Bild 3-2a: Zuordnung der Leitkomponenten zu den Verfahren und Werkstoffen beim Schweißen
[Quelle: Spiegel-Ciobanu, BGI 593 Ausg. 2008]

 

3.1.4 Widerstandsschweißen

Beim Widerstandsschweißen mit unterschiedlichen Werkstoffen entstehen Schweißrauchkonzentrationen (Metalloxide aus dem Verspritzen oder Verdampfen des Werkstoffes), die unter praxisüblichen Bedingungen und bei normaler Lüftungssituation unter den MAK- oder alten TRK-Werten für die jeweiligen Schadstoffe liegen (Bild 1-11b auf den Seiten 25 u. 26).

Das Schweißen verölter oder gefetteter Bleche ist in der Praxis - wenn möglich - zu vermeiden. Stärkere Öl- oder Fettschichten führen zu höheren Rauchkonzentrationen mit Anteilen organischer Stoffe.

Beim spritzerfreien Schweißen entstehen bei gefetteten Blechen etwa 30 % mehr Rauche als bei ungefetteten Blechen.

Beim Abbrennstumpfschweißen entstehen im Vergleich zu anderen Widerstandsschweißverfahren (z. B. Punktschweißen) größere Rauchmengen, die im Regelfall eine Absaugung an der Maschine erfordern.

3.1.5 Laserstrahlschweißen mit CO2-Laser

Die Anwendung von Lasern in der Schweißtechnik ist ein relativ neues und komplexes Verfahren. Besondere Informationen, insbesondere zur Lüftungs- und Filtertechnik, bietet das Laser-Zentrum Hannover (LZH), Hollerithallee 8, 30419 Hannover.

3.1.5.1 Laserstrahlschweißen ohne Zusatzwerkstoff

Durch die hohe Energie der Laserquelle finden Verdampfungen aus dem Grundwerkstoff (Schmelze) statt.

Diese führen zu Schadstoffemissionen (Schweißrauche), deren chemische Zusammensetzung etwa der Zusammensetzung des Grundwerkstoffes entspricht.

Die Schadstoffmengen beim Laserschweißen ohne Zusatzwerkstoff sind in der Größenordnung vergleichbar mit denen beim Metall-Aktivgasschweißen. So betragen z. B. beim Laserschweißen von Chrom-Nickel-Stahl die Schadstoffemissionen für Gesamtstaub 1,2 bis 2 mg/s.

Emissionsmessungen beim Laserstrahlschweißen von unterschiedlichen metallischen Werkstoffen ergaben bei einheitlichen Schweißparametern:

  • Materialdicke = 1 mm

  • Laserleistung = 2.900 W

  • Brennweite = 200 mm

  • Vorschub = 50 mm/s

  • Bearbeitungsgas = Ar

folgende Emissionen:

Werkstoffpartikelförmige Schadstoffemission (mg/s)
(oberhalb der Bearbeitungsseite)
unlegierter Stahl1,5
X 5 CrNi 18 91,2
verzinkter Stahl7
Titan0,9

Die höchsten Schadstoffemissionen werden beim verzinkten Stahl beobachtet, wobei die Schweißrauchbildung im Wesentlichen durch die Zinkbeschichtung verursacht wird.

Werkstoffgasförmige Schadstoffemissionen (µg/s)
NOxCOO3
unlegierter Stahl2005653
X 5 CrNi 18 93502819
verzinkter Stahl80056< n. G.

Die Ergebnisse zeigen niedrigere Emissionsraten für gasförmige Schadstoffe.

3.1.5.2 Laserstrahlauftragschweißen

Beim Laserstrahlauftragschweißen kann der Zusatzwerkstoff in Draht- oder Pulverform zugeführt werden. Es entstehen überwiegend partikelförmige Schadstoffe (Rauche). Wird der Zusatzwerkstoff in Pulverform zugeführt, entstehen neben Rauchen zum Teil partikelförmige einatembare, jedoch nicht alveolengängige Stoffe. Insgesamt liegen beim Laserstrahlauftragschweißen die Emissionen von partikelförmigen Stoffen unter 5 mg/s.

Die gasförmigen Schadstoffe stellen hier kein Problem dar. Die chemische Zusammensetzung des Schweißrauches entspricht in etwa der chemischen Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes, wobei Elemente mit niedriger Siedetemperatur in den Rauchen überrepräsentiert sind.

Neben der Leitkomponente (sie entspricht dem Basislegierungselement) können zusätzlich Oxide der anderen Legierungselemente (die mehr als 10 % haben) nach unterschiedlichen Bearbeitungszeiten kritische Werte annehmen. Diese sind Hauptkomponenten.

Beim Laserstrahlauftragschweißen mit Cobaltbasis-Legierungen bilden sich Schweißrauche und -stäube, für die als Leitkomponente Cobaltoxid infrage kommt.

Bei Nickelbasis-Legierungen, die zugleich über 10 % Cobalt enthalten, kann - abhängigvom jeweiligen Anteil im Schweißrauch - Nickeloxid oder Cobaltoxid als Leitkomponente im Schweißrauch gelten. Der Schweißrauch enthält zusätzlich auch Aluminiumoxid.

Beim Laserstrahlauftragschweißen von hoch chromhaltigen Eisenbasis-Legierungen ist Schweißrauch (Eisenoxid) zu berücksichtigen. Das im Schweißrauch auftretende Gesamtchrom liegt vorwiegend in der metallischen Form oder dreiwertigen Oxidform vor. Die gemessenen Chrom(VI)-Verbindungen sind sehr gering (≤ 5 % des Gesamtchroms).

Bei Aluminiummehrstoff-Bronze ist aufgrund des hohen Anteils an Kupfer (etwa 75 % Cu) Kupferoxid als Leitkomponente zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist Aluminiumoxid eine Hauptkomponente.

3.1.6 Laserstrahlschweißen mit Nd:YAG-Laser

Die Schadstoffemissionen (Emissionsraten[mg/s]) liegen bei optimierten (Schweiß-)Parametern insgesamt niedriger bei der Anwendung von Festkörperlasern (Nd:YAG-Laser) als bei der Anwendung von CO2-Lasern, wobei die zurzeit erreichbaren Schweißgeschwindigkeiten beim Nd:YAG-Laser niedriger sind als beim CO2-Laser.

Für die Menge der partikelförmigen Stoffe ist die absorbierte Intensität (Leistungsdichte) in der Wechselwirkungszone maßgebend.

Mit steigender Intensität steigt die Schmelztemperatur und somit die Verdampfungsrate.

WerkstoffSchweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Chrom-Nickel-Stahl
(s = 3 mm, vs = 600 mm/min)
≈ 1,5
verzinkte r Stahl
(s = 1 mm, vs = 400 mm/min)
≈ 2,7

Emissionsmessungen beim Schweißen von Chrom-Nickel-Stahl und verzinktem Stahl in Abhängigkeit von der absorbierten Strahlintensität ergaben folgende Schweißrauchemissionen:

Die Strahlintensität liegt zwischen 3,18 105 und 6,67 105 W/cm2.

3.1.7 Hybridschweißen

Hybridschweißen (= zwei Einzelverfahren kombiniert) gewinnt bei der schweißtechnischen Fertigung zunehmend an Bedeutung. Die bekanntesten Verfahren sind dabei:

  • Laserstrahl-MIG-,

  • Laserstrahl-WIG-,

  • Plasma-MIG-,

  • Plasma-WIG-Schweißen und

  • Laserstrahl-Plasmaschweißen.

Da bei diesen Verfahren, verglichen mit den einzelnen Verfahren, die Abschmelzleistung und die Vorschubgeschwindigkeit viel höher sind, ist damit zu rechnen, dass auch die dabei entstehenden Schadstoffemissionen (mg/s) etwas höher liegen als beim einfachen MIG- oder WIG-Schweißen.

Bei allen Hybridschweißverfahren wird eine integrierte Absaugung im Entstehungsbereich der Schadstoffe dringend empfohlen.

Für die korrekte Dimensionierung der Lüftungsanlage sind Untersuchungen zur Bestimmung der verfahrens-/werkstoffspezifischen Emissionsraten zweckmäßig.

Laserstrahl - Plasmaschweißen von Aluminiumwerkstoffen

Diese Verfahrenskombination erlaubt eine deutliche Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und wird bei Aluminiumwerkstoffen sowohl mit CO2 als auch mit Nd:YAG-Laser eingesetzt. Auch hier sind im Vergleich zum einfachen Laserstrahlschweißen höhere Schadstoff-Emissionsraten zu erwarten. Für die Auswahl der Leitkomponenten sind auch die eingesetzten Werkstoffe maßgebend. Hier sind die Leitkomponenten Ozon und aluminiumoxidhaltiger Schweißrauch - die gleichzeitig auftreten - zu berücksichtigen. Eine wirksame Absaugung sollte unmittelbar im Entstehungsbereich der vorgenannten Schadstoffe eingesetzt werden.

VerfahrenGrundwerkstoffSchweißrauch/Leitkomponente(n)
Laserstrahlschweißen1)unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch2)
Chrom-Nickel-Stahl
(≤ 20 % Cr und ≤ 30 % Ni)
Nickeloxid
verzinkter StahlZinkoxid
VerfahrenSchweißzusatzwerkstoffLeitkomponente(n)
LaserstrahlauftragschweißenCobaltbasis-Legierungen
(> 60 % Co, > 20 % Cr)
Cobaltoxid
Nickelbasis-Legierungen
(> 60 % Ni)
Nickeloxid
Eisenbasis-Legierungen
(< 40 % Cr, > 60 % Fe)
Schweißrauch2)
Aluminiummehrstoff-Bronzen
(= 75 % Cu)
Kupferoxid3)
1) Hier ohne Schweißzusatzwerkstoff.
2) Grenzwert für die A-Fraktion des Staubes heranziehen.
3) Grenzwert für Kupfer-Rauch.

Bild 3-2b: Zuordnung der Leitkomponenten zu den Verfahren und Werkstoffen beim Laserstrahlschweißen
[Quelle: Spiegel-Ciobanu, BGI 593 Ausg. 2008]